gesponsertBioökonomie Von Mikroben zu Materialinnovationen: Deutschlands Industrie im Wandel

Gesponsert von

TransBIB

Die deutsche Bioökonomie erlebt eine spektakuläre Transformation: Was einst auf traditionelle Land- und Forstwirtschaft beschränkt war, erobert jetzt sogar die mächtige Chemieindustrie. Unternehmen suchen fieberhaft nach biologischen Alternativen zu fossilen Rohstoffen, getrieben von wachsender Nachfrage nach nachhaltigen Produkten. Mikroorganismen werden zu Hightech-Fabriken, Pflanzenreste zu wertvollen Materialien – eine Revolution, die ganze Industriezweige auf den Kopf stellt. Die Zukunft der deutschen Wirtschaft wächst nicht mehr aus dem Boden, sondern über der Erde.

Die deutsche Bioökonomie war lange geprägt durch traditionelle Biomassenutzung in Sektoren wie der Land- und Forstwirtschaft sowie in angeschlossenen Bereichen wie der Nahrungs- und Futtermittelindustrie oder der Holz-, Papier- und Zellstoffindustrie. Die wachsende Nachfrage nach nachhaltigen, umweltfreundlichen Produkten sowie zunehmende Nachhaltigkeitsanforderungen für Unternehmen führen auch in anderen Wirtschaftssektoren wie beispielsweise der chemischen Industrie zur Suche nach biobasierten Alternativen zu fossilen Rohstoffen.

Beispiele sind etwa die zunehmende Produktion nach biobasierten Kunststoffen (z.B. Polylactid-PLA für Verpackungen), die Produktion von innovativen Biokraftstoffen (etwa Bio-CNG/Bio-LNG für den Verkehrssektor) oder die Produktion von Plattformchemikalien wie Methanol, Bernsteinsäure oder Itaconsäure als Bausteine für eine Vielzahl von Anwendungen. Doch mit dem Wachstum der Bioökonomie gehen auch neue Herausforderungen einher: Unternehmen müssen geeignete Rohstoffpotenziale finden, ihre Prozesse skalieren können und die Nachhaltigkeit ihrer Produkte glaubwürdig nachweisen.

Hier setzt das vom BMWE geförderte Projekt TransBIB (Transfernetzwerk zur Beschleunigung der Industriellen Bioökonomie) an. TransBIB baut eine nationale Wissensplattform auf, die Informationen zu Biomasseressourcen, Zertifizierungssystemen sowie zur Skalierungs- und Testinfrastruktur bündelt. Damit erleichtert TransBIB die Orientierung in einem komplexen Innovationsumfeld und unterstützt Unternehmen gezielt bei der Entwicklung und Umsetzung neuer biobasierter Wertschöpfungsketten (www.transbib.de).

Rohstoffpotenziale erkennen und nutzen

Ein zentrales Thema, vor allem für die verarbeitende Industrie, ist die Verfügbarkeit geeigneter biogener Rohstoffe zur Herstellung hochwertiger Produkte. Im Gegenteil zu konventionellen, fossilen Rohstoffen, sind biogene Ressourcen häufig durch stark unterschiedliche regionale Verfügbarkeiten und eine generell niedrigere Transportwürdigkeit gekennzeichnet. Die Bewertung der Rohstoffbasis und der regionalen Biomasseverfügbarkeiten ist für Unternehmen in der Bioökonomie daher ein wichtiger Erfolgsfaktor. Durch die intensive Diskussion um potenzielle Nutzungskonkurrenzen gewinnt auch die Nutzung von biogenen Rest- und Abfallstoffen an Bedeutung.

Eine der mengenmäßig bedeutendsten Ressourcen innerhalb der biogenen Abfälle und Reststoffe in Deutschland ist Getreidestroh (DBFZ Ressourcendatenbank 2024; Naegeli de Torres et al. 2024). Pro Jahr fallen hier rund 27 Millionen Tonnen Getreidestroh an, wovon nachhaltig etwa 7-12 Millionen Tonnen energetisch oder stofflich nutzbar sind (Naegeli de Torres et al. 2024). 

Verfügbarkeitanalysen und regional aufgelöste Informationen zu Potenzialen relevanter Biomassen können Unternehmen bei der Auswahl geeigneter Rohstoffe, bei der Standortwahl sowie bei der Skalierung und der Entwicklung langfristiger Rohstoffstrategien unterstützen. Entsprechende Informationen für Deutschland sind beispielsweise im DE-Biomassemonitor der Ressourcendatenbank des DBFZ verfügbar. Diese stellt für 77 biogene Abfälle, Reststoffe und Nebenprodukte umfangreiche Informationen Zielmärkten bereit.

Eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung wettbewerbsfähiger Produkte ist die Skalierbarkeit biotechnologischer Prozesse. Um Prozesse und Produktionskapazitäten schrittweise zu entwickeln, benötigen Unternehmen oft Zugang zu Pilotanlagen und technischem Know-how.  Eine interessante und oft ökonomisch sinnvolle Strategie zur Entwicklung der ersten Skalierungsschritte kann die Nutzung vorhandener Skalierungsressourcen sein. Das Projekt TransBIB erfasst beispielsweise die in Deutschland verfügbare Skalierungsinfrastruktur und macht Informationen zu den vorhandenen Kapazitäten öffentlich zugänglich. Dies ermöglicht es Unternehmen mit entsprechenden Skalierungsaufgaben mit passenden Anlagenbetreibern zu vernetzen (transbib.de). Auf diese Weise können Unternehmen vorhandene Versuchsanlagen nutzen, anstatt eigene Kapazitäten in diesem Bereich zu entwickeln.

Ein Beispiel ist die in der innovativen und ihrer Art einzigartigen Pilotanlage Pilot-SBG am DBFZ, in der die Skalierung und Integration von Prozessen erfolgt. Neben der Aufbereitung von Biomasse besteht die Anlage aus verschiedenen flexibel betreibbaren Modulen zu hydrothermalen Verfahren, zur Biogaserzeugung, zur Methansynthese sowie der Gärrestaufbereitung. Die Kapazität umfasst je nach Kampagne Größenordnungen von bis zu 700 kg jährlich Biomethan und mehrere Tonnen Dünger bzw. Hydrokohle. Sie erlaubt die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen den Komponenten sowie den Einfluss von Prozessparametern auf Stabilität und Ausbeute. Dank ihrer hohen Flexibilität können bestehende Module erweitert, neue Module integriert oder einzelne Anlagenteile separat betrieben werden. Die Anlage steht als Technologieplattform für gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsvorhaben mit Wirtschaft und Academia zur Verfügung. Sie ermöglicht so die konkrete Unterstützung bei der Skalierung vom Labor über den Pilotmaßstab hin zur industriellen Anwendung.

Nachhaltigkeitsbewertung als Schlüssel zum Erfolg für Unternehmen der Bioökonomie

Ein weiterer Erfolgsfaktor ist die Bewertung und Kommunikation der Nachhaltigkeit biobasierter Produkte. Kunden und Gesetzgeber erwarten konkrete Belege, dass neue Produkte der Bioökonomie tatsächlich umweltfreundlicher sind als konventionelle Alternativen. Die Ökobilanz hat sich hierfür als wichtiges Werkzeug etabliert. Sie ermöglicht eine umfassende Bilanzierung relevanter relevanten Umweltwirkungen entlang des gesamten Produktlebenswegs, von der Rohstoffgewinnung über Produktion und Nutzung bis zur Entsorgung. Nur so lässt sich sicherstellen, dass biobasierte Prozesse tatsächlich zu einer Entlastung der Umwelt führen.

Für Unternehmen bieten Ökobilanzen mehrfachen Nutzen: Zum einen helfen sie bei der Identifikation von Hotspots und Treibern in den analysierten Prozessen (z.B. einen hohen Energieverbrauch oder Emissionen in einer Verfahrensstufe), was gezielte Optimierungen ermöglicht. Zum anderen liefern sie messbare Kennzahlen (z.B. Treibhausgaseinsparungen oder reduzierte Umweltbelastung), die in der Kommunikation und Vermarktung des Produkts verwendet werden können.

Ein Beispiel für die Unterstützung der Produktentwicklung durch Ökobilanzen ist das vom BMWE geförderte Projekt GreenFeed. Das Projekt zeigt mit dem Einsatz von alternativen Rohstoffen konkrete Wege zur Defossilisierung der chemischen Industrie auf, insbesondere für die Produktion von Polymeren (Link zur Roadmap). Um den Beitrag verschiedener  biobasierter Polymere zur Klimaneutralität zu bewerten, wurden hier umfassende Ökobilanzen durchgeführt (Link zum Fokusheft Biopolymere, siehe Abbildung) Die Ergebnisse verdeutlichen, wie systematische Nachhaltigkeitsbewertungen Unternehmen helfen können, strategische Entscheidungen zu treffen, Innovationspfade auszuwählen und ihre Marktposition mit belastbaren Zahlen zu untermauern.

So konnte beispielsweise für die Produktion von biobasiertem Polyethylen hoher Dichte (HDPE) gezeigt werden, dass allein der Wechsel der Rohstoffbasis von Erdöl zu Biomasse zu einer THG-Einsparung von 127 % führt. Werden zudem z.B. 20 % des CO₂ im Fermentationsprozess für eine weitergehende Nutzung, z.B. in der Getränkeindustrie abgeschieden, erhöht sich die THG-Einsparung auf 143 %. Erfolgt zusätzlich die Energieversorgung nur über erneuerbare Energien, so können 180 % der THG-Emissionen gegenüber petrochemisch erzeugten HDPE eingespart werden. Solche Analysen verschaffen Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil, denn sie untermauern glaubwürdig die Nachhaltigkeitsversprechen gegenüber Kunden, Investoren und Behörden.

Quellennachweis:
Naegeli de Torres, F., Brödner, R., Cyffka, K.-F., Fais, A., Kalcher, J., Kazmin, S., Meyer, R., Radtke, K. S., Richter, F., Selig, M., Wilske, B., & Thrän, D. (2024). DBFZ Resource Database: DE-Biomass Monitor. Biomass Potentials and Utilization of Biogenic Wastes and Residues in Germany 2010-2020 [Data set]. Zenodo DOI: 10.5281/zenodo.14273285.

Meisel, K., Röder, L. S., Dögnitz, N., Götz, I. K., Cyffka, K.-F.: Marktrelevante Biopolymere – Technologie, Ökonomie & Nachhaltigkeit im Fokus. DBFZ Fokusheft 2024.